傳統醫學影像方法技術上的缺陷使足踝的在體生物力學研究受到限制。雙平面熒光透視成像系統可精確且非侵入性地捕捉動/靜態活動中的人體關節運動，并能夠量化單個骨骼的運動，分析足踝內形態不一、結構復雜的骨骼位置及運動規律，現已被廣泛應用于影像學診斷和臨床生物力學領域。本文回顧了雙平面熒光透視成像系統于足踝在體生物力學和臨床、運動醫學領域內的研究與應用，總結了其在實際應用中的優勢與局限性，提出今后可深入了解足踝在體運動與損傷的可行性研究方案，并給出具有建設性的意見和建議。
引用本文： 葉東強, 孫曉樂, 張翠, 張燊, 張希妮, 傅維杰. 基于雙平面熒光透視成像技術的足踝在體生物力學研究進展. 生物醫學工程學雜志, 2021, 38(3): 602-608. doi: 10.7507/1001-5515.202006009 復制
引言
人的足部由 26 塊骨、33 個關節以及附著的韌帶、筋膜等構成，并通過踝關節與下肢相連[1]。上述足踝部在平動和轉動的六自由度內活動，并在站、走、跑、跳、爬等動作中發揮著重要作用，且與競技成績、運動表現、生長發育、衰老進程、跌倒風險以及足病防治等息息相關。據統計，在美國每年因足部損傷（扁平足、足部應力性骨裂/骨折、踝關節不穩、跟腱炎、足底筋膜炎等）而功能受損的人數超百萬，造成當地政府約 12 億美元的醫療支出和近百億美元的間接損失[2]，而上述急/慢性損傷依然未得到很好的解決。精確分析足踝內部在體運動學特征對上述問題的解決有著重大意義。
傳統的足踝運動測量方法，如高速紅外運動捕捉系統（即通過粘貼在人體體表的反光點的運動軌跡計算關節運動），已被廣泛應用于人體環節運動學研究中[3]。然而，受到標記點位置以及皮膚、軟組織振動和運動偽影等相關因素的影響，運動捕捉系統在測量骨骼、關節在體運動學中的適用性尚存疑問[4]。出于精度的考量，早期醫學領域通常采用尸體研究或在活體中植入骨釘以確定足踝運動。然而，由于尸體沒有自主的神經控制和肌肉活動，其運動與活體動態條件存在很大差異[5]；而骨釘對活體有著較強的侵入性和易感染性，影響正常步態，且存在倫理問題[6]。鑒于上述缺陷，開發一種能夠突破傳統生物力學測量方法在測量精度與倫理上的限制的新技術，成為生物醫學工程領域迫切需要解決的難題。基于該目標，2006 年，de Asla 等[7]開始將雙平面熒光透視成像系統（dual fluoroscopic imaging system，DFIS）應用于在體生物力學實驗中。DFIS 是一種新型關節在體成像技術，具有不受皮膚等軟組織相對運動的影響、無創、兼容性強且能動態捕捉骨骼在體運動的優勢[8]，是彌補傳統測量方法精度及倫理上缺陷的新技術，是解決以往研究未攻克關節內部真實運動難題的新途徑，目前已被應用于足踝在體六自由度運動的研究中[9-12]。作為一種新興技術，凝練匯總 DFIS 研究以了解其應用現狀對今后的足踝研究具有重要的指導意義，但截止目前，鮮有基于 DFIS 探究足踝在體運動規律的應用綜述。
本文通過介紹 DFIS 技術發展與應用的科學問題，歸納了其在足踝運動學及臨床醫學領域內的研究成果，闡明 DFIS 在實際應用中的優勢，并總結了其不足與面臨的挑戰，以期為將來深入研究人體足踝運動規律及潛在病理機制提供前瞻性的理論支持和建設性意見。
1 DFIS 技術發展及應用的科學問題
DFIS 源自熒光透視成像技術。熒光透視系統因其穿透性、無侵入性在醫學領域內獲得了廣泛的應用。然而，其在醫學領域內的應用以拍攝靜態骨骼圖像為主，難以量化動態人體運動。因此研究者們將熒光透視成像系統與影像學技術相結合，發明了單平面熒光透視成像系統，并應用于醫學與低速運動研究（如步態）等領域[13]。然而單平面熒光透視成像系統無法獲取骨與關節在三個空間軸內的活動，這限制了對骨骼、關節的在體運動學特征與運動損傷關系的理解。因此，有關研究團隊將熒光透視成像系統、醫學成像技術與二維/三維模型配準技術結合，開發了 DFIS，用于骨骼與關節的在體三維運動捕捉[8]。DFIS 由運動透視影像系統和數據解析系統構成。其運動透視系統由兩個高壓發光器與光源、兩個帶有熒光接收器與增強器的可移動機械臂以及配套的兩個數字攝像機共同組成，可連同計算機斷層掃描（computed tomography，CT）、X 光成像以及磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）技術，精準捕捉骨性結構的真實在體運動。DFIS 數據解析系統由三維建模、二維/三維模型配準與三維運動分析系統共同構成，主要負責在三維空間內將二維圖像與三維模型進行重建和配準，以獲取各骨性結構在空間中的精確位置，為最終量化關節的相對位移、相對角度與軟骨接觸面積、軟骨接觸應力/應變等奠定基礎[14]。
在技術方面，基于動態 X 光成像技術，DFIS 可直接透析足踝內形態各異、結構復雜的骨骼位置及運動規律，可彌補傳統生物力學測量方法無法窺探骨與關節真實運動的缺陷，是非侵入式精準分析足踝在體運動、評估關節功能等的最新運動分析手段。在精度方面，DFIS 在確定關節位置、捕捉關節運動中的精度均達到亞毫米級[15]，可精準捕捉常/高速運動下骨性結構在六自由度內的在體運動，突破了運動捕捉系統在測量精度上的瓶頸，為高精度分析骨與關節運動提供了國際領先的解決方案。此外，DFIS 擁有廣泛的技術應用領域，目前已成功用于解決：① 臨床術中關節定位問題：如髖關節（尾骨、恥骨聯合等）手術定位[16]；② 臨床術后康復評估問題：如關節置換術、脊柱融合術后的生物力學變化[17-18]；③ 關節真實在體運動問題：如踝、膝等關節的在體三維運動分析[10-12, 19]等。由此可見，DFIS 為臨床、運動醫學領域提供了動/靜態條件下捕捉人體內部骨骼真實運動的新方案，可用于人體各關節，特別是包裹在鞋內的足/踝/跖趾等小關節在體位置及運動特征的精準判斷，對解決足踝問題具有重要的臨床意義和應用價值。
2 DFIS 測量精度
準確度（accuracy）和精確度（precision）是測量系統投入使用的必要前提之一。Cross 等[20]比較了 DFIS 所用的六自由度模型與尸體標本的鋼珠模型在足踝運動學測量中的差異，結果顯示 DFIS 在計算足踝靜態姿勢、模擬步行時的精度均在亞毫米級（sub-millimeter）和次度級（sub-degree），即其測量平動位移的精度誤差小于 0.1 mm，測量轉動位移的精度誤差小于 0.1°。此外，Nichols 等[21]將 DFIS 獲得的踝關節運動學結果作為參考標準，對比了尸體標本模型和基于距骨形態的特定模型在測量平地行走時，脛距關節和距下關節逆向動力學結果的差異，發現標本模型與特定模型的運動學結果均存在較大誤差。此外，該團隊還分析了 DFIS 采用的六自由度模型與基于逆向動力學的一自由度模型與三自由度模型在計算行走與單腿提踵動作中，脛距關節和距下關節角度的差異，發現一自由度模型與三自由度模型均無法準確預測單個脛距關節與距下關節的運動結果[22]。這表明，部分研究已將 DFIS 的追蹤結果作為驗證傳統生物力學模型精確度的參照標準，也從側面佐證了 DFIS 在量化關節運動學中具有較高的精確度。
3 DFIS 在量化健康人群足踝運動學中的應用
3.1 裸足條件下的足踝運動學
足部與下肢的連接依賴脛距關節與距下關節，對脛距關節與距下關節的運動學分析對深入理解足踝運動規律與潛在致病機制有著重要影響。這其中，距骨是最重要的一環，但鑒于足踝形態、結構十分復雜，距骨周圍缺乏可觸及的標志以放置追蹤點，使得運動捕捉系統無法有效獨立分析脛距關節與距下關節的運動特征。雖然以往針對脛距關節與距下關節的在體運動學研究可借助有限轉動軸即兩個極端姿勢間的轉動軸（如最大跖屈到最大背屈）以部分量化脛距關節與距下關節運動特征[23]：如 Arndt 等[24]采用上述方法計算了脛距關節以及距下關節在三個旋轉軸上的最大活動范圍，以探究踝關節日常負重狀態下的運動學規律，發現脛距關節與距下關節在站立階段的內、外翻最大活動范圍分別為 6.3° 與 8.3°，跖、背屈最大活動范圍分別為 18.7° 與 3.7°。然而，當需要精準量化足踝在體運動以鑒別損傷時，基于 DFIS 的研究卻發現：在 1 m/s 的速度下行走時，脛距關節與距下關節內、外翻最大活動范圍分別為 3.8° 與 11.3°，最大跖、背屈活動度分別為 16.3° 與 8.6°[25]，這與采用有限轉動軸所得到的結論大相徑庭。比對 DFIS 研究，有限轉動軸本質上仍無法確定骨骼的真實位置，且其結果僅是某個靜態時刻的關節角度，并無法獲得動態活動不同階段中的真實關節位置與三維運動學數據，這或許是造成上述結果差異的主要原因。而 DFIS 可捕捉行走、快速跑、跳、落地等常/高速運動狀態下脛距、距下關節等的真實活動，彌補了以往研究難以確定骨、關節空間位置的缺陷，對探究結構復雜的足踝的在體運動有著巨大的優勢。
如表 1 所示，研究人員采用 DFIS 量化了健康受試者裸足條件下的足踝運動學。Phan 等[26]利用 DFIS 觀察了行走中跗橫關節（transverse tarsal joint）的運動，發現跗橫關節的位置由支撐前期的最大旋前過渡到支撐后期的最大旋后，在此期間伴隨著肌肉活動，使足部在支撐后期更有效地傳遞蹬伸力，這為理解行走中的足踝運動規律提供了新視角。此外，在步行支撐相，脛距關節主要進行跖、背屈運動，而距下關節則以內、外翻與內、外旋運動為主[7]。同時，在支撐相的不同階段，脛距關節與距下關節的平移及旋轉程度不同[27]，表現為：初期著地時，兩者進行顯著的平移及旋轉運動；而在支撐末期，只有距下關節進行顯著的旋轉運動。Roach 等[25]則發現在裸足行走及單腿提踵任務中，脛距關節除跖、背屈運動外，還出現小幅的內、外翻和內、外旋運動，而距下關節也出現跖、背屈運動，且相比脛距關節，距下關節跖屈出現時刻更早[28]，這與 Yamaguchi 等[29]利用單平面透視觀察到的人體在單腿提踵中，脛距關節與距下關節分別進行跖、背屈和內、外翻的運動學結果不一，表明 DFIS 有效彌補了單平面透視成像系統無法觀測關節三維運動的不足，能全方位分析動/靜態動作中的單個骨骼運動，并且其追蹤數據可有效補充先前的運動學結果，避免對足踝運動規律的錯誤理解。
表1
基于 DFIS 的裸足下足踝在體運動學研究（
）
Table1.
DFIS studies on in vivo ankle kinematics in barefoot condition (
)
3.2 著鞋條件下的足踝運動學
人體足部的控制與日常活動的完成通常需借助鞋具。其對足踝起到了保護、支撐、緩沖、協助蹬伸等作用。關于鞋因素對足踝生物力學影響的研究歷史悠久，技術手段多樣，這其中，運動捕捉技術因操作便捷、兼容性強、重復性高且無侵入性等優點被廣泛應用：如 Hannigan 等[30]采用運動捕捉系統探究了鞋因素對踝關節運動學的影響，發現跑步中穿著極簡鞋時后足最大外翻為（12.60 ± 3.76）°，跖、背屈最大范圍為（22.63 ± 3.25）°。而 Peltz 等[31]采用 DFIS 同樣比較健康跑者不同鞋條件下的足踝運動學，發現穿著極簡鞋時，脛距關節與距下關節的外翻峰值分別為（2.4 ± 0.7）° 與（7.9 ± 2.8）°，而跖、背屈最大范圍分別為（15.1 ± 5.9）° 與（3.5 ± 1.5）°。由此可見，采用傳統運動捕捉系統難以單獨量化脛距關節與距下關節的獨立運動，而只能將踝關節或后足視作整體。更重要的是，該技術通過將反光標記點貼于鞋面或破壞鞋結構來粘貼標記點的形式測量骨骼運動[3]，其技術上的“硬傷”使其難以分析鞋條件對足踝運動的真實影響。相比之下，DFIS 所采用的熒光成像技術能穿透鞋具直接觀測內部骨骼的真實運動，從而填補傳統生物力學測量方法無法量化鞋具內部在體骨與關節運動的空白，成為目前唯一能精確獲取包裹在鞋內的足/踝/跖趾等小關節在體真實運動的手段。
如表 2 所示，有研究利用 DFIS 觀察了健康業余跑者足踝骨骼在鞋內的真實運動，指出著鞋會限制步行中踝關節的跖屈運動，且踝關節跖、背屈與外翻出現的時間顯著早于裸足條件[32]，表明著鞋可能影響了足部的動作啟動與肌肉激活。另外，在跑動過程中，穿著極簡鞋與運動控制鞋（motion control shoes）條件下的脛距關節跖、背屈與內、外旋活動度均小于裸足[31]，這與之前發現極簡鞋可模擬裸足跑步的觀點并不一致[33]，這可能是由于不同的實驗條件（如極簡鞋）所致，也可能與前人研究無法獨立分析脛距關節與距下關節的運動學特征從而難以獲取穿著極簡鞋條件下的足部真實運動有關。另有學者發現，相比裸足與極簡鞋，穿著運動控制鞋跑步時的舟骨下降比率（navicular drop rate）較小[34]，因而更有可能預防如髕股疼痛綜合征、髂脛束摩擦綜合征、踝關節不穩等常見跑步相關損傷[35]。
表2
基于 DFIS 的穿鞋下足踝在體運動學研究（
）
Table2.
DFIS studies on in vivo ankle kinematics in shod condition (
)
4 DFIS 在病理性足踝運動學中的應用
足踝是人體最易損傷的部位之一，預防足踝損傷、加快康復進程一直是生物力學與醫學領域的焦點。利用 DFIS 可觀察足踝內部復雜、精細的運動，如表 3 所示，有學者已將其應用于探究足踝損傷，如慢性踝關節不穩定（chronic ankle instability，CAI）、外踝扭傷與足弓異常人群足踝運動學的研究中。
表3
基于 DFIS 的病患人群足踝在體運動學研究（
）
Table3.
DFIS studies on in vivo ankle kinematics in sick or injured populations (
)
CAI 是最常見的足踝損傷之一，足踝損傷后，有 20% 的患者會出現 CAI 的癥狀[10]。有學者采用 DFIS 分析了 CAI 對足踝運動的影響，發現在單腿提踵中，CAI 患者有著更小的脛距關節和距下關節活動[37]，提示上述增強平衡及穩定性的動作或許是評估 CAI 患者預后康復的最佳方法之一，因為其能暴露更多 CAI 患者與健康人群在足踝運動學上的差異。此外，相比健康受試者，CAI 患者在步行支撐相有著更大的距下關節內外平移及內、外翻活動度[11]，而在下臺階時，其脛距關節內翻與距下關節前移程度更大[10]，這一發現表明踝關節外側損傷在 CAI 患者中持續存在。此外，有研究則發現 CAI 患者后足內翻活動度較大[39]，而距下關節在踝關節的整體運動中主要負責內、外翻[7]，因此針對距下關節的功能性訓練可能對臨床治療 CAI 有較大的臨床意義。研究還指出，踝關節護具能有效限制踝關節的旋轉運動與著地階段脛距關節及距下關節的背屈動作[38]，但無法限制距下關節的前移與跖屈活動，也并未真正改善足部異常活動[12]，這與使用傳統運動捕捉系統得出的人體穿戴踝關節護具可有效防止踝關節內翻損傷[40]，進而潛在改善 CAI 癥狀的結論存在差異，這可能與傳統運動捕捉系統只能分析踝關節整體運動且難以捕捉護具內部足踝骨骼的真實運動有關，提示在針對 CAI 患者的臨床治療過程中應謹慎看待踝關節護具的作用。此外，未來的研究需明確踝關節護具對足踝運動學異常人群的真實作用。
針對足弓異常人群的 DFIS 研究則表明，扁平足人群動態活動中有著更大的內側縱弓角度[36]，該結果是可預見的，因為扁平足人群足弓塌陷，舟骨高度較低，而在動態活動中，足弓需通過其形變衰減動態活動中的沖擊負荷以保護下肢[41]。使用足部矯形器可降低不同足型人群在步行階段的內側縱弓角度[9]，提高足弓高度，從而一定程度上調整異常足部形態。相比之下，以往針對足弓的研究常采用數顯游標卡尺或基于體表標記點的運動捕捉系統量化足弓形態學[42-43]。例如，Jung 等[43]采用運動捕捉系統發現，靜止裸足單腿站立狀態下正常人群內側縱弓角度為（145.1 ± 5.5）°，遠高于相同條件下采用 DFIS 所測得的角度（129.2 ± 7.6）°[35]。由于足弓運動較下肢運動鏈其余關節更為細微，體表標記點的尺寸、位置及其相對皮膚的位移使得運動捕捉系統所測得的足弓運動學與真實狀態存在差異，更不要說在著鞋狀態下，而這或許是造成運動捕捉系統所得內側縱弓角度偏大的原因。以上研究證明利用 DFIS 檢測關節異常活動是可取的，相比傳統測量方法利用逆向動力學原理分析關節運動從而推測關節損傷機制或臨床上依靠醫生鑒定損傷，DFIS 能直接透視分析骨骼在體運動以探討潛在致病機制，為精準診療足踝損傷提供有利條件，因此在臨床醫學領域內具有較高的應用價值。
總體而言，現階段針對病理性足踝的研究主要從運動學層面明確了部分足踝損傷和異常足弓對足踝運動的影響。然而，現階段鮮有 DFIS 結合動力學測量方法的研究，因此未來的研究可更多地將動力學測量方法，如測力跑臺、足底壓力技術等，與 DFIS 相結合，多維度量化足踝在體運動的生物力學特征，進一步加深對足踝運動與損傷的認識。
5 不足與挑戰
5.1 電離輻射
毫無疑問，DFIS 已在探究足踝生物力學及生物醫學工程領域中表現出了傳統測量方法無法比擬的優勢。然而，其成像依賴于 X 光成像技術，這使得 DFIS 不可避免地存在電離輻射，這影響了實驗的樣本量，也限制了實際應用中采集足踝運動的次數以及總的測試時間。
5.2 拍攝范圍受限
出于電離輻射以及圖像清晰度的考量，在實際應用中通常會限制 DFIS 拍攝范圍以保證所采集圖像的清晰度，并降低總輻射量。然而，這為研究一個完整步態周期中足踝的連續運動造成了困難，并對拍攝角度與足踝測試動作的選取提出了挑戰。
5.3 數據處理
DFIS 的數據處理包括三維建模，二維/三維圖像配準以及運動分析過程。圖像配準是指將兩張特定的透視圖像與數字重建模型在虛擬空間中對齊的過程，其數據處理繁雜、耗時、難度大，這為數據分析人員完成足踝近 30 塊體積小且形態各異的骨骼三維模型的二維/三維配準的準確度和一致性提出了較高要求。
6 總結與展望
DFIS 在臨床/運動醫學診斷與生物醫學工程等領域中有著傳統測量方法無法比擬的優勢，其應用對深入理解足踝在人體運動中的作用、鑒別關節的異常活動、精準診療足踝疾病意義重大，是非侵入式精確量化動/靜態活動中足踝在體生物力學特征的有力工具。未來的研究應考慮擴大 DFIS 拍攝范圍，開發可移動式 DFIS 用以采集整個步態甚至多個步態。建立正常足踝在體運動學數據庫，以更好鑒別足踝疾病，評估損傷或手術后的康復進程。開發特定的骨骼應力算法，并結合有限元模型，獲取足踝完整在體運動過程中骨性結構和小關節的生物力學與動態載荷指標。開發精準度較高的自動化配準程序，縮短數據處理時間。鑒于傳統生物力學測量方法技術上的缺陷，今后的研究中有條件可優先使用 DFIS 來觀測足踝內部骨骼與關節精細且復雜的運動，乃至采用 DFIS 用以驗證基于傳統生物力學方法測得足踝運動學結果的準確性。而目前，高速 DFIS 已經在上海體育學院架設完成，該設備對 DFIS 進行了技術改進，提高了拍攝快門速度，并擴大了圖像采集范圍，使其具備了獲取高速運動中的二維動態圖像，并記錄高速運動中的每個動作實時圖像的能力。該高速 DFIS 為國內首創且國外也僅有數套，其團隊已圍繞該系統展開了初步工作[14]。此外，未來的研究可探究性別、年齡、跑姿、鞋因素、足踝矯形器/護具等因素對足踝運動學的影響，拓寬其在精確診療、影像學評定、防護裝備的研制等方面的應用。
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
引言
人的足部由 26 塊骨、33 個關節以及附著的韌帶、筋膜等構成，并通過踝關節與下肢相連[1]。上述足踝部在平動和轉動的六自由度內活動，并在站、走、跑、跳、爬等動作中發揮著重要作用，且與競技成績、運動表現、生長發育、衰老進程、跌倒風險以及足病防治等息息相關。據統計，在美國每年因足部損傷（扁平足、足部應力性骨裂/骨折、踝關節不穩、跟腱炎、足底筋膜炎等）而功能受損的人數超百萬，造成當地政府約 12 億美元的醫療支出和近百億美元的間接損失[2]，而上述急/慢性損傷依然未得到很好的解決。精確分析足踝內部在體運動學特征對上述問題的解決有著重大意義。
傳統的足踝運動測量方法，如高速紅外運動捕捉系統（即通過粘貼在人體體表的反光點的運動軌跡計算關節運動），已被廣泛應用于人體環節運動學研究中[3]。然而，受到標記點位置以及皮膚、軟組織振動和運動偽影等相關因素的影響，運動捕捉系統在測量骨骼、關節在體運動學中的適用性尚存疑問[4]。出于精度的考量，早期醫學領域通常采用尸體研究或在活體中植入骨釘以確定足踝運動。然而，由于尸體沒有自主的神經控制和肌肉活動，其運動與活體動態條件存在很大差異[5]；而骨釘對活體有著較強的侵入性和易感染性，影響正常步態，且存在倫理問題[6]。鑒于上述缺陷，開發一種能夠突破傳統生物力學測量方法在測量精度與倫理上的限制的新技術，成為生物醫學工程領域迫切需要解決的難題。基于該目標，2006 年，de Asla 等[7]開始將雙平面熒光透視成像系統（dual fluoroscopic imaging system，DFIS）應用于在體生物力學實驗中。DFIS 是一種新型關節在體成像技術，具有不受皮膚等軟組織相對運動的影響、無創、兼容性強且能動態捕捉骨骼在體運動的優勢[8]，是彌補傳統測量方法精度及倫理上缺陷的新技術，是解決以往研究未攻克關節內部真實運動難題的新途徑，目前已被應用于足踝在體六自由度運動的研究中[9-12]。作為一種新興技術，凝練匯總 DFIS 研究以了解其應用現狀對今后的足踝研究具有重要的指導意義，但截止目前，鮮有基于 DFIS 探究足踝在體運動規律的應用綜述。
本文通過介紹 DFIS 技術發展與應用的科學問題，歸納了其在足踝運動學及臨床醫學領域內的研究成果，闡明 DFIS 在實際應用中的優勢，并總結了其不足與面臨的挑戰，以期為將來深入研究人體足踝運動規律及潛在病理機制提供前瞻性的理論支持和建設性意見。
1 DFIS 技術發展及應用的科學問題
DFIS 源自熒光透視成像技術。熒光透視系統因其穿透性、無侵入性在醫學領域內獲得了廣泛的應用。然而，其在醫學領域內的應用以拍攝靜態骨骼圖像為主，難以量化動態人體運動。因此研究者們將熒光透視成像系統與影像學技術相結合，發明了單平面熒光透視成像系統，并應用于醫學與低速運動研究（如步態）等領域[13]。然而單平面熒光透視成像系統無法獲取骨與關節在三個空間軸內的活動，這限制了對骨骼、關節的在體運動學特征與運動損傷關系的理解。因此，有關研究團隊將熒光透視成像系統、醫學成像技術與二維/三維模型配準技術結合，開發了 DFIS，用于骨骼與關節的在體三維運動捕捉[8]。DFIS 由運動透視影像系統和數據解析系統構成。其運動透視系統由兩個高壓發光器與光源、兩個帶有熒光接收器與增強器的可移動機械臂以及配套的兩個數字攝像機共同組成，可連同計算機斷層掃描（computed tomography，CT）、X 光成像以及磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）技術，精準捕捉骨性結構的真實在體運動。DFIS 數據解析系統由三維建模、二維/三維模型配準與三維運動分析系統共同構成，主要負責在三維空間內將二維圖像與三維模型進行重建和配準，以獲取各骨性結構在空間中的精確位置，為最終量化關節的相對位移、相對角度與軟骨接觸面積、軟骨接觸應力/應變等奠定基礎[14]。
在技術方面，基于動態 X 光成像技術，DFIS 可直接透析足踝內形態各異、結構復雜的骨骼位置及運動規律，可彌補傳統生物力學測量方法無法窺探骨與關節真實運動的缺陷，是非侵入式精準分析足踝在體運動、評估關節功能等的最新運動分析手段。在精度方面，DFIS 在確定關節位置、捕捉關節運動中的精度均達到亞毫米級[15]，可精準捕捉常/高速運動下骨性結構在六自由度內的在體運動，突破了運動捕捉系統在測量精度上的瓶頸，為高精度分析骨與關節運動提供了國際領先的解決方案。此外，DFIS 擁有廣泛的技術應用領域，目前已成功用于解決：① 臨床術中關節定位問題：如髖關節（尾骨、恥骨聯合等）手術定位[16]；② 臨床術后康復評估問題：如關節置換術、脊柱融合術后的生物力學變化[17-18]；③ 關節真實在體運動問題：如踝、膝等關節的在體三維運動分析[10-12, 19]等。由此可見，DFIS 為臨床、運動醫學領域提供了動/靜態條件下捕捉人體內部骨骼真實運動的新方案，可用于人體各關節，特別是包裹在鞋內的足/踝/跖趾等小關節在體位置及運動特征的精準判斷，對解決足踝問題具有重要的臨床意義和應用價值。
2 DFIS 測量精度
準確度（accuracy）和精確度（precision）是測量系統投入使用的必要前提之一。Cross 等[20]比較了 DFIS 所用的六自由度模型與尸體標本的鋼珠模型在足踝運動學測量中的差異，結果顯示 DFIS 在計算足踝靜態姿勢、模擬步行時的精度均在亞毫米級（sub-millimeter）和次度級（sub-degree），即其測量平動位移的精度誤差小于 0.1 mm，測量轉動位移的精度誤差小于 0.1°。此外，Nichols 等[21]將 DFIS 獲得的踝關節運動學結果作為參考標準，對比了尸體標本模型和基于距骨形態的特定模型在測量平地行走時，脛距關節和距下關節逆向動力學結果的差異，發現標本模型與特定模型的運動學結果均存在較大誤差。此外，該團隊還分析了 DFIS 采用的六自由度模型與基于逆向動力學的一自由度模型與三自由度模型在計算行走與單腿提踵動作中，脛距關節和距下關節角度的差異，發現一自由度模型與三自由度模型均無法準確預測單個脛距關節與距下關節的運動結果[22]。這表明，部分研究已將 DFIS 的追蹤結果作為驗證傳統生物力學模型精確度的參照標準，也從側面佐證了 DFIS 在量化關節運動學中具有較高的精確度。
3 DFIS 在量化健康人群足踝運動學中的應用
3.1 裸足條件下的足踝運動學
足部與下肢的連接依賴脛距關節與距下關節，對脛距關節與距下關節的運動學分析對深入理解足踝運動規律與潛在致病機制有著重要影響。這其中，距骨是最重要的一環，但鑒于足踝形態、結構十分復雜，距骨周圍缺乏可觸及的標志以放置追蹤點，使得運動捕捉系統無法有效獨立分析脛距關節與距下關節的運動特征。雖然以往針對脛距關節與距下關節的在體運動學研究可借助有限轉動軸即兩個極端姿勢間的轉動軸（如最大跖屈到最大背屈）以部分量化脛距關節與距下關節運動特征[23]：如 Arndt 等[24]采用上述方法計算了脛距關節以及距下關節在三個旋轉軸上的最大活動范圍，以探究踝關節日常負重狀態下的運動學規律，發現脛距關節與距下關節在站立階段的內、外翻最大活動范圍分別為 6.3° 與 8.3°，跖、背屈最大活動范圍分別為 18.7° 與 3.7°。然而，當需要精準量化足踝在體運動以鑒別損傷時，基于 DFIS 的研究卻發現：在 1 m/s 的速度下行走時，脛距關節與距下關節內、外翻最大活動范圍分別為 3.8° 與 11.3°，最大跖、背屈活動度分別為 16.3° 與 8.6°[25]，這與采用有限轉動軸所得到的結論大相徑庭。比對 DFIS 研究，有限轉動軸本質上仍無法確定骨骼的真實位置，且其結果僅是某個靜態時刻的關節角度，并無法獲得動態活動不同階段中的真實關節位置與三維運動學數據，這或許是造成上述結果差異的主要原因。而 DFIS 可捕捉行走、快速跑、跳、落地等常/高速運動狀態下脛距、距下關節等的真實活動，彌補了以往研究難以確定骨、關節空間位置的缺陷，對探究結構復雜的足踝的在體運動有著巨大的優勢。
如表 1 所示，研究人員采用 DFIS 量化了健康受試者裸足條件下的足踝運動學。Phan 等[26]利用 DFIS 觀察了行走中跗橫關節（transverse tarsal joint）的運動，發現跗橫關節的位置由支撐前期的最大旋前過渡到支撐后期的最大旋后，在此期間伴隨著肌肉活動，使足部在支撐后期更有效地傳遞蹬伸力，這為理解行走中的足踝運動規律提供了新視角。此外，在步行支撐相，脛距關節主要進行跖、背屈運動，而距下關節則以內、外翻與內、外旋運動為主[7]。同時，在支撐相的不同階段，脛距關節與距下關節的平移及旋轉程度不同[27]，表現為：初期著地時，兩者進行顯著的平移及旋轉運動；而在支撐末期，只有距下關節進行顯著的旋轉運動。Roach 等[25]則發現在裸足行走及單腿提踵任務中，脛距關節除跖、背屈運動外，還出現小幅的內、外翻和內、外旋運動，而距下關節也出現跖、背屈運動，且相比脛距關節，距下關節跖屈出現時刻更早[28]，這與 Yamaguchi 等[29]利用單平面透視觀察到的人體在單腿提踵中，脛距關節與距下關節分別進行跖、背屈和內、外翻的運動學結果不一，表明 DFIS 有效彌補了單平面透視成像系統無法觀測關節三維運動的不足，能全方位分析動/靜態動作中的單個骨骼運動，并且其追蹤數據可有效補充先前的運動學結果，避免對足踝運動規律的錯誤理解。
表1
基于 DFIS 的裸足下足踝在體運動學研究（）
Table1.
DFIS studies on in vivo ankle kinematics in barefoot condition ()
3.2 著鞋條件下的足踝運動學
人體足部的控制與日常活動的完成通常需借助鞋具。其對足踝起到了保護、支撐、緩沖、協助蹬伸等作用。關于鞋因素對足踝生物力學影響的研究歷史悠久，技術手段多樣，這其中，運動捕捉技術因操作便捷、兼容性強、重復性高且無侵入性等優點被廣泛應用：如 Hannigan 等[30]采用運動捕捉系統探究了鞋因素對踝關節運動學的影響，發現跑步中穿著極簡鞋時后足最大外翻為（12.60 ± 3.76）°，跖、背屈最大范圍為（22.63 ± 3.25）°。而 Peltz 等[31]采用 DFIS 同樣比較健康跑者不同鞋條件下的足踝運動學，發現穿著極簡鞋時，脛距關節與距下關節的外翻峰值分別為（2.4 ± 0.7）° 與（7.9 ± 2.8）°，而跖、背屈最大范圍分別為（15.1 ± 5.9）° 與（3.5 ± 1.5）°。由此可見，采用傳統運動捕捉系統難以單獨量化脛距關節與距下關節的獨立運動，而只能將踝關節或后足視作整體。更重要的是，該技術通過將反光標記點貼于鞋面或破壞鞋結構來粘貼標記點的形式測量骨骼運動[3]，其技術上的“硬傷”使其難以分析鞋條件對足踝運動的真實影響。相比之下，DFIS 所采用的熒光成像技術能穿透鞋具直接觀測內部骨骼的真實運動，從而填補傳統生物力學測量方法無法量化鞋具內部在體骨與關節運動的空白，成為目前唯一能精確獲取包裹在鞋內的足/踝/跖趾等小關節在體真實運動的手段。
如表 2 所示，有研究利用 DFIS 觀察了健康業余跑者足踝骨骼在鞋內的真實運動，指出著鞋會限制步行中踝關節的跖屈運動，且踝關節跖、背屈與外翻出現的時間顯著早于裸足條件[32]，表明著鞋可能影響了足部的動作啟動與肌肉激活。另外，在跑動過程中，穿著極簡鞋與運動控制鞋（motion control shoes）條件下的脛距關節跖、背屈與內、外旋活動度均小于裸足[31]，這與之前發現極簡鞋可模擬裸足跑步的觀點并不一致[33]，這可能是由于不同的實驗條件（如極簡鞋）所致，也可能與前人研究無法獨立分析脛距關節與距下關節的運動學特征從而難以獲取穿著極簡鞋條件下的足部真實運動有關。另有學者發現，相比裸足與極簡鞋，穿著運動控制鞋跑步時的舟骨下降比率（navicular drop rate）較小[34]，因而更有可能預防如髕股疼痛綜合征、髂脛束摩擦綜合征、踝關節不穩等常見跑步相關損傷[35]。
表2
基于 DFIS 的穿鞋下足踝在體運動學研究（）
Table2.
DFIS studies on in vivo ankle kinematics in shod condition ()
4 DFIS 在病理性足踝運動學中的應用
足踝是人體最易損傷的部位之一，預防足踝損傷、加快康復進程一直是生物力學與醫學領域的焦點。利用 DFIS 可觀察足踝內部復雜、精細的運動，如表 3 所示，有學者已將其應用于探究足踝損傷，如慢性踝關節不穩定（chronic ankle instability，CAI）、外踝扭傷與足弓異常人群足踝運動學的研究中。
表3
基于 DFIS 的病患人群足踝在體運動學研究（）
Table3.
DFIS studies on in vivo ankle kinematics in sick or injured populations ()
CAI 是最常見的足踝損傷之一，足踝損傷后，有 20% 的患者會出現 CAI 的癥狀[10]。有學者采用 DFIS 分析了 CAI 對足踝運動的影響，發現在單腿提踵中，CAI 患者有著更小的脛距關節和距下關節活動[37]，提示上述增強平衡及穩定性的動作或許是評估 CAI 患者預后康復的最佳方法之一，因為其能暴露更多 CAI 患者與健康人群在足踝運動學上的差異。此外，相比健康受試者，CAI 患者在步行支撐相有著更大的距下關節內外平移及內、外翻活動度[11]，而在下臺階時，其脛距關節內翻與距下關節前移程度更大[10]，這一發現表明踝關節外側損傷在 CAI 患者中持續存在。此外，有研究則發現 CAI 患者后足內翻活動度較大[39]，而距下關節在踝關節的整體運動中主要負責內、外翻[7]，因此針對距下關節的功能性訓練可能對臨床治療 CAI 有較大的臨床意義。研究還指出，踝關節護具能有效限制踝關節的旋轉運動與著地階段脛距關節及距下關節的背屈動作[38]，但無法限制距下關節的前移與跖屈活動，也并未真正改善足部異常活動[12]，這與使用傳統運動捕捉系統得出的人體穿戴踝關節護具可有效防止踝關節內翻損傷[40]，進而潛在改善 CAI 癥狀的結論存在差異，這可能與傳統運動捕捉系統只能分析踝關節整體運動且難以捕捉護具內部足踝骨骼的真實運動有關，提示在針對 CAI 患者的臨床治療過程中應謹慎看待踝關節護具的作用。此外，未來的研究需明確踝關節護具對足踝運動學異常人群的真實作用。
針對足弓異常人群的 DFIS 研究則表明，扁平足人群動態活動中有著更大的內側縱弓角度[36]，該結果是可預見的，因為扁平足人群足弓塌陷，舟骨高度較低，而在動態活動中，足弓需通過其形變衰減動態活動中的沖擊負荷以保護下肢[41]。使用足部矯形器可降低不同足型人群在步行階段的內側縱弓角度[9]，提高足弓高度，從而一定程度上調整異常足部形態。相比之下，以往針對足弓的研究常采用數顯游標卡尺或基于體表標記點的運動捕捉系統量化足弓形態學[42-43]。例如，Jung 等[43]采用運動捕捉系統發現，靜止裸足單腿站立狀態下正常人群內側縱弓角度為（145.1 ± 5.5）°，遠高于相同條件下采用 DFIS 所測得的角度（129.2 ± 7.6）°[35]。由于足弓運動較下肢運動鏈其余關節更為細微，體表標記點的尺寸、位置及其相對皮膚的位移使得運動捕捉系統所測得的足弓運動學與真實狀態存在差異，更不要說在著鞋狀態下，而這或許是造成運動捕捉系統所得內側縱弓角度偏大的原因。以上研究證明利用 DFIS 檢測關節異常活動是可取的，相比傳統測量方法利用逆向動力學原理分析關節運動從而推測關節損傷機制或臨床上依靠醫生鑒定損傷，DFIS 能直接透視分析骨骼在體運動以探討潛在致病機制，為精準診療足踝損傷提供有利條件，因此在臨床醫學領域內具有較高的應用價值。
總體而言，現階段針對病理性足踝的研究主要從運動學層面明確了部分足踝損傷和異常足弓對足踝運動的影響。然而，現階段鮮有 DFIS 結合動力學測量方法的研究，因此未來的研究可更多地將動力學測量方法，如測力跑臺、足底壓力技術等，與 DFIS 相結合，多維度量化足踝在體運動的生物力學特征，進一步加深對足踝運動與損傷的認識。
5 不足與挑戰
5.1 電離輻射
毫無疑問，DFIS 已在探究足踝生物力學及生物醫學工程領域中表現出了傳統測量方法無法比擬的優勢。然而，其成像依賴于 X 光成像技術，這使得 DFIS 不可避免地存在電離輻射，這影響了實驗的樣本量，也限制了實際應用中采集足踝運動的次數以及總的測試時間。
5.2 拍攝范圍受限
出于電離輻射以及圖像清晰度的考量，在實際應用中通常會限制 DFIS 拍攝范圍以保證所采集圖像的清晰度，并降低總輻射量。然而，這為研究一個完整步態周期中足踝的連續運動造成了困難，并對拍攝角度與足踝測試動作的選取提出了挑戰。
5.3 數據處理
DFIS 的數據處理包括三維建模，二維/三維圖像配準以及運動分析過程。圖像配準是指將兩張特定的透視圖像與數字重建模型在虛擬空間中對齊的過程，其數據處理繁雜、耗時、難度大，這為數據分析人員完成足踝近 30 塊體積小且形態各異的骨骼三維模型的二維/三維配準的準確度和一致性提出了較高要求。
6 總結與展望
DFIS 在臨床/運動醫學診斷與生物醫學工程等領域中有著傳統測量方法無法比擬的優勢，其應用對深入理解足踝在人體運動中的作用、鑒別關節的異常活動、精準診療足踝疾病意義重大，是非侵入式精確量化動/靜態活動中足踝在體生物力學特征的有力工具。未來的研究應考慮擴大 DFIS 拍攝范圍，開發可移動式 DFIS 用以采集整個步態甚至多個步態。建立正常足踝在體運動學數據庫，以更好鑒別足踝疾病，評估損傷或手術后的康復進程。開發特定的骨骼應力算法，并結合有限元模型，獲取足踝完整在體運動過程中骨性結構和小關節的生物力學與動態載荷指標。開發精準度較高的自動化配準程序，縮短數據處理時間。鑒于傳統生物力學測量方法技術上的缺陷，今后的研究中有條件可優先使用 DFIS 來觀測足踝內部骨骼與關節精細且復雜的運動，乃至采用 DFIS 用以驗證基于傳統生物力學方法測得足踝運動學結果的準確性。而目前，高速 DFIS 已經在上海體育學院架設完成，該設備對 DFIS 進行了技術改進，提高了拍攝快門速度，并擴大了圖像采集范圍，使其具備了獲取高速運動中的二維動態圖像，并記錄高速運動中的每個動作實時圖像的能力。該高速 DFIS 為國內首創且國外也僅有數套，其團隊已圍繞該系統展開了初步工作[14]。此外，未來的研究可探究性別、年齡、跑姿、鞋因素、足踝矯形器/護具等因素對足踝運動學的影響，拓寬其在精確診療、影像學評定、防護裝備的研制等方面的應用。
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
